EP2803106A1 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Brennstoffzellenstapel

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EP2803106A1
EP2803106A1 EP12822970.5A EP12822970A EP2803106A1 EP 2803106 A1 EP2803106 A1 EP 2803106A1 EP 12822970 A EP12822970 A EP 12822970A EP 2803106 A1 EP2803106 A1 EP 2803106A1
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EP
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fuel cell
stack
cell stack
housing
insulation
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EP12822970.5A
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Matthias Günthart
Pius Kobler
Ulf-Michael MEX
Holger Stark
Uwe Werner
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Mercedes Benz Group AG
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Daimler AG
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Publication date
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Publication of EP2803106B1 publication Critical patent/EP2803106B1/de
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell stack according to the preamble of
  • US 2003/0104260 A1 describes a fuel cell system with a housing which encloses at least one first fuel cell stack and a second fuel cell stack arranged peripherally to the first fuel cell stack and presses them together.
  • the fuel cell system includes tension straps which extend completely around the housing.
  • the housing may have a cover which is sealed from the housing.
  • US 2003/0104260 A1 describes a housing for receiving and holding a fuel cell stack during the manufacture of a fuel cell device from a plurality of fuel cell stacks, which comprises a closing element, a flexible sidewall and a connecting element, wherein the housing is held together by straps.
  • methods for manufacturing the fuel cell device comprising stacking the fuel cells in the container, pressing the fuel cells, and disposing the fuel cell
  • the invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved fuel cell stack.
  • a fuel cell stack is formed from a plurality of stacked fuel cell units and at least one stack termination element.
  • the stacked fuel cell units and the stack termination element are clamped by means of at least one clamping device, and wherein the strained fuel cell units are enclosed by a housing, wherein the stacked fuel cell units and the stack termination element.
  • Fuel cell units and the stack termination element can be clamped by means of at least one clamping device.
  • a circumferential seal in particular lip seal, is arranged between the housing and the at least one stack end element, which has recesses for receiving the tensioning device, wherein the tensioning device is electrically insulated at least in the region of the recesses.
  • the gasket formed, for example, as a lip seal and the electrically insulated clamping device act in an advantageous manner sealingly together and thus prevent moisture from entering the area between
  • this insulation preferably molded, e.g. by means of an injection molding process.
  • the insulation is particularly preferred in the area of the housing to the
  • Clamping device formed so that an electrical insulation adjacent
  • Fuel cell units is improved.
  • Fuel cell stack is done in a simple manner and the sealing effect is ensured during operation of the fuel cell stack.
  • the insulation of the clamping device in the region of the recesses is formed such that a positive and / or non-positive connection between the insulation of the clamping device and the seal formed in particular as a lip seal of the StapelabQueryelements and thus particularly preferably a
  • Bias is produced, which causes a sealing effect to the lip seal and thus to the housing.
  • Clamping area in particular in the region of the recesses, a thickening.
  • these are formed from a rubber, a foam, polyvinyl chloride, thermoplastic polyurethane and / or a thermoplastic polymer.
  • These electrically insulating materials are characterized by high chemical resistance, temperature resistance and good corrosion properties.
  • the clamping device comprises at least one of the stacked
  • Fuel cell units and the stack terminating element circumferential strip or band-shaped strap Such a strap has a low weight and low space requirement and is also simple and inexpensive to manufacture and in the assembly.
  • a strap has a low weight and low space requirement and is also simple and inexpensive to manufacture and in the assembly.
  • the stack terminating element circumferential strip or band-shaped strap.
  • Clamping a plurality of clamping bands which advantageously optimizes compression of the fuel cell stack and a sealing effect between fuel cell stack and housing is increased.
  • the tension band is formed in a particularly preferred embodiment of the invention made of glass fiber or stainless steel.
  • Materials made of glass fiber and stainless steel are corrosion-resistant and chemically resistant, in particular glass fiber materials also have a high modulus of elasticity.
  • the stack termination element of the fuel cell stack forms a cover of the housing, which is designed in particular as a housing open on one side. This optimizes the space and component requirements of the fuel cell stack.
  • the stack termination element thus fulfills a plurality of functions, in which it serves both as an end boundary of the stacked fuel cell units and as a cover element of the fuel cell stack.
  • the housing is formed as a two-sided open housing and the fuel cell stack comprises two stack termination elements, wherein one of the stack termination elements forms the lid and the other of the stack termination elements forms the bottom of the fuel cell stack.
  • Fig. 1 shows schematically a perspective view of a detail of a
  • Fuel cell stack with a housing, a
  • FIG. 2 schematically shows a perspective view of the detail according to FIG. 1 without tensioning device
  • FIG. 3 schematically shows a perspective view of the detail according to FIG. 1 without tensioning device and without insulation
  • Fig. 4 shows schematically a perspective view of a clamping device with a molded insulation
  • FIG. 5 shows schematically a perspective view of a fuel cell stack in an assembled state
  • FIG. 6 schematically shows a perspective view of the fuel cell stack according to FIG. 5, wherein the fuel cell stack is provided with a housing.
  • FIGS. 1 to 3 is a perspective section of a fuel cell stack 1 with a plurality of stacked fuel cell units 2, two
  • Stack end elements 3 and a clamping device 4 with a this area 2 shows the fuel cell stack 1 only with insulation 5 without tensioning device 4 and FIG. 3 shows the fuel cell stack 1 without tensioning device 4 and without insulation 5.
  • Figure 4 shows in perspective a single clamping device 4
  • Figure 5 shows a fuel cell stack 1 in an assembled state
  • Figure 6 shows the fuel cell stack 1 according to Figure 5, which is provided with a housing 7, wherein the assembly of the housing 7 is shown by an arrow.
  • the fuel cell stack 1 is composed of the plurality of stacked ones
  • Fuel cell units 2 for example, as high-temperature fuel cell units, e.g. Solid oxide fuel cells, or even low-temperature fuel cell units, for example, polymer electrolyte fuel cells, are formed, with polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) are preferred.
  • high-temperature fuel cell units e.g. Solid oxide fuel cells
  • low-temperature fuel cell units for example, polymer electrolyte fuel cells
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cells
  • the stacked fuel cell units 2 and the stack termination elements 3 are clamped together by means of the tensioning device 4.
  • the tensioning device 4 has, as shown in Figure 5, a plurality, in particular three band or strip-shaped clamping elements, hereinafter referred to as tension bands 4.1, on which the
  • Each of the fuel cell units 2 and the stack termination elements 3 revolves and clamps them against each other and which are spaced apart in a direction transverse to the stacking direction s.
  • Straps 4.1 have a low weight and a small space requirement and are also simple and inexpensive to manufacture and in the assembly. In addition, such a design and arrangement of the
  • Tensioning device 4 an optimal introduction of force in the fuel cell stack. 1
  • the tension bands 4.1 extend around one of
  • Stack termination elements in particular the lower end plate 3.2, around.
  • the ends or end portions 4.1.1 of the tension straps 4.1 are formed loop or hook-shaped or provided with suspension loops or hooks.
  • the lower end plate 3.2 opposite upper end plate 3.1 has connecting elements 3.1.1, which are formed corresponding to the loop or hook-shaped end portions 4.1.1 of the tension bands 4.1, so that they form a positive and / or non-positive connection with each other.
  • the connecting elements 3.1.1 are formed separately in one possible embodiment and connected in shape, material and / or non-positively to the stack end element 3, in particular screwed.
  • the connecting elements 3.1.1 integrated into the stack closure element 3, for example, integrally formed.
  • the connecting elements 3.1.1 and the stack termination element 3 can be an integrated component, for. B. a mold component, form.
  • the connecting elements 3.1.1 are formed as a loop projecting into an opening of the stack end element 3 or a hook projecting into the opening.
  • the tension bands 4.1 By forming the end portions 4.1.1 of the tension bands 4.1 as hooks or loops, the tension bands 4.1 can be released in a simple manner from the correspondingly formed connection element 3.1.1 of the stack termination element 3.
  • the stacked fuel cell units 2 are preferably at least partially enclosed by the housing 7 shown in FIG.
  • the housing 7 is formed as a housing 7 open on both sides and closes in the assembled state (the mounting of the
  • Housing 7 is shown in Figure 6 by an arrow) with its open ends to one end or a surface side of a StapelabQueryelements 3, wherein one of the stack termination elements 3 defines an upper end side of the fuel cell stack 1 in the form of an upper end plate 3.1 and the other
  • Stack termination elements 3 a lower end face of the fuel cell stack 1 limited in the form of a lower end plate 3.2.
  • the upper end plate 3.1 forms a lid and the lower
  • the housing 7 may be formed as a housing 7 open on one side, wherein the open end is bounded by one of the stack termination elements 3.
  • At least one of the stack termination elements 3 is produced in one piece in the plastic injection molding process as a metal-plastic hybrid component.
  • the formation of the stack termination element 3 as a metal-plastic hybrid component allows the combination of positive properties of two different materials. By means of the metal part while clamping forces over a large area in the
  • Fuel cell units can be introduced and connection points to support structures, e.g.
  • a shape and temperature stability of the metal part are very good.
  • a metal material is also a metallic
  • stiffening electrical insulation of the fuel cell stack 1 against the environment can be realized. Furthermore, by means of the stiffening part an interface to the housing 7 of the fuel cell stack 1, a supply and delivery of gaseous or liquid media from or into the fuel cell stack 1 and an isolation of media both electrically and to protect against corrosion feasible.
  • the stiffening part thus optimizes the metal part.
  • plastic or organic polymer is particularly suitable a thermoplastic.
  • circumferential seal 6 is arranged, in particular molded.
  • the circumferential seal 6 is designed as a lip seal 6.1. Alternatively, it may be formed as a ring seal.
  • the upper end plate 3.1 in a preferred manner to the
  • End plate 3.2 is sealed from the housing 7.
  • the lip seal 6.1 is preferably made of an electrically insulating material, in particular of synthetic rubber, such as e.g. Ethylene-propylene-diene monomer, nitrile-butadiene rubber, hydrogenated nitrile rubber, silicone rubber, fluoro rubber, acrylate rubber, perfluoro rubber, polychloroprene rubber, chlorosulfonyl polyethylene rubber, polyester urethane rubber, butyl Rubber, or natural rubber or cellular rubber, foam, polyvinyl chloride, thermoplastic
  • synthetic rubber such as e.g. Ethylene-propylene-diene monomer, nitrile-butadiene rubber, hydrogenated nitrile rubber, silicone rubber, fluoro rubber, acrylate rubber, perfluoro rubber, polychloroprene rubber, chlorosulfonyl polyethylene rubber, polyester urethane rubber, butyl Rubber, or natural rubber or cellular rubber, foam, polyvinyl chloride, thermoplastic
  • Elastomer or thermoplastic polyurethane formed. These electrically insulating materials are characterized by high chemical resistance,
  • the lip seal 6.1 comprises in the present embodiment recesses 6.2 for receiving the tension bands 4.1, which of the housing 7 in the region of
  • Fuel cell units 2 are enclosed and are arranged outside in the region of the lip seal 6.1.
  • the tension straps 4.1 have the integrally formed insulation 5 at least in each case in the region of the recesses 6.2 of the lip seal 6.1.
  • the insulation 5 extends over the region of the tension bands 4.1, which on the
  • Fuel cell units 2 is applied, as shown in Figures 4 and 5, so that an electrical insulation of adjacent fuel cell units 2 is improved.
  • the recesses 6.2 preferably have a shape and / or to the outside
  • the insulation 5 corresponding shape or dimensions, so that the insulation 5 is positively and / or non-positively disposed in the recess 6.2, whereby particularly preferably a bias and thus a sealing effect to the lip seal 6.1 and the housing 7 is made.
  • the insulation 5 in the region of the recesses 6.2 a thickening 5.1, which is shown in Figures 1, 2, 4, 5 and 6.
  • the insulation 5 is preferably formed of the same material as the lip seal 6.1 or another of the already mentioned materials for the lip seal 6.1.
  • the insulation 5 is preferably applied to the strap 4.1 by means of an injection molding process. In the present embodiment, the insulation 5 encloses the strap 4.1 in the predetermined areas completely.
  • the insulation 5 and the lip seal 6.1 act sealingly together in an advantageous manner and thus prevent moisture from penetrating into the region between the stack end element 3 and the housing 7.
  • the combination of the tensioning device 4 for clamping the fuel cell stack 1 and the seal further enables a simple and cost-effective production of a sealing system for the fuel cell stack 1, since no joining operations are necessary, and also space is saved.
  • the sealing system can be independent of a stacking height of
  • Fuel cell stack 1 can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (1), welcher aus einer Mehrzahl von gestapelten Brennstoffzelleneinheiten (2) und zumindest einem Stapelabschlusselement (3) gebildet ist, wobei die gestapelten Brennstoffzelleneinheiten (2) und das Stapelabschlusselement (3) mittels einer Spannvorrichtung (4) verspannbar sind, und wobei zumindest die verspannten Brennstoffzelleneinheiten (2) von einem Gehäuse (7) umschlossen sind. Dabei ist vorgesehen, dass zwischen dem Gehäuse (7) und dem mindestens einen Stapelabschlusselement (3) eine umlaufende Dichtung (6), insbesondere Lippendichtung (6.1), angeordnet ist, die Aussparungen (6.2) zur Aufnahme der Spannvorrichtung (4) aufweist, wobei die Spannvorrichtung (4) zumindest im Bereich der Aussparungen (6.2) elektrisch isoliert ist.

Description

Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
In der US 2003/0104260 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Gehäuse beschrieben, welches zumindest einen ersten Brennstoffzellenstapel und einen peripher zu dem ersten Brennstoffzellenstapel angeordneten zweiten Brennstoffzellenstapel umschließt und diese miteinander verpresst. Dazu umfasst das Brennstoffzellensystem Spannbänder, welche vollständig um das Gehäuse herum verlaufen. Weiterhin kann das Gehäuse ein Abdeckelement aufweisen, welches gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist.
Weiterhin ist in der US 2003/0104260 A1 ein Gehäuse zum Aufnehmen und Halten eines Brennstoffzellenstapels während der Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapel beschrieben, welches ein Abschlusselement, eine flexible Seitenwand und ein Verbindungselement umfasst, wobei das Gehäuse von Spannbändern zusammengehalten wird. Darüber hinaus sind Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, umfassend das Stapeln der Brennstoffzellen in dem Behältnis, Verpressen der Brennstoffzellen, und Anordnen des
Verbindungselements zum Festhalten des Brennstoffzellenstapels in der gestapelten Anordnung, und/oder um den Brennstoffzellenstapel zumindest teilweise zu verpressen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Brennstoffzellenstapel anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel, welcher die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Brennstoffzellenstapel ist aus einer Mehrzahl von gestapelten Brennstoffzelleneinheiten und zumindest einem Stapelabschlusselement gebildet. Die gestapelten Brennstoffzelleneinheiten und das Stapelabschlusselement mittels mindestens einer Spannvorrichtung verspannbar sind, und wobei die verspannten Brennstoffzelleneinheiten mittels eines Gehäuses umschlossen sind, wobei die gestapelten
Brennstoffzelleneinheiten und das Stapelabschlusselement mittels mindestens einer Spannvorrichtung verspannbar sind. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Gehäuse und dem mindestens einen Stapelabschlusselement eine umlaufende Dichtung, insbesondere Lippendichtung, angeordnet, die Aussparungen zur Aufnahme der Spannvorrichtung aufweist, wobei die Spannvorrichtung zumindest im Bereich der Aussparungen elektrisch isoliert ist.
Die beispielsweise als Lippendichtung ausgebildete Dichtung und die elektrisch isolierte Spannvorrichtung wirken in vorteilhafter Art und Weise dichtend zusammen und verhindern somit ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Bereich zwischen
Brennstoffzellenstapel und Gehäuse. Die Kombination von Spannvorrichtung zum
Verspannen des Brennstoffzellenstapels und Abdichtung des Stapelabschlusselements gegenüber dem Gehäuse ermöglicht weiterhin eine einfache und kostengünstige
Herstellung eines Dichtsystems für den Brennstoffzellenstapel und eine
Bauraumeinsparung.
Zur elektrischen Isolierung der Spannvorrichtung ist dabei an diese eine Isolierung angeformt, vorzugsweise angespritzt, z.B. mittels eines Spritzgussverfahrens. Die Isolierung ist dabei besonders bevorzugt im Bereich des Gehäuses an die
Spannvorrichtung angeformt, so dass eine elektrische Isolierung benachbarter
Brennstoffzelleneinheiten verbessert ist.
Zur formschlüssigen Aufnahme der Spannvorrichtung korrespondieren Form und/oder die Abmessungen der Aussparungen mit Form und/oder äußeren Abmessungen der an die Spannvorrichtung angeformten Isolierung, so dass eine Montage des
Brennstoffzellenstapels auf einfache Art und Weise erfolgt und die dichtende Wirkung während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels sichergestellt ist. Vorzugsweise ist die Isolierung der Spannvorrichtung im Bereich der Aussparungen derart ausgebildet, dass eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Isolierung der Spannvorrichtung und der insbesondere als Lippendichtung ausgebildeten Dichtung des Stapelabschlusselements und damit besonders bevorzugt eine
Vorspannung hergestellt ist, welche eine Dichtwirkung zur Lippendichtung und damit zum Gehäuse bewirkt. Zur Verstärkung der Vorspannung weist die Isolierung der
Spannvorrichtung bereichsweise, insbesondere im Bereich der Aussparungen, eine Verdickung auf.
Zur Optimierung der Dichtwirkung der Isolierung der Spannvorrichtung und der Dichtung sind diese aus einem Kautschuk, einem Schaumstoff, Polyvinylchlorid, thermoplastischen Polyurethan und/oder einem thermoplastischen Polymer gebildet. Diese elektrisch isolierenden Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe chemische Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit und gute Korrosionseigenschaften aus.
Die Spannvorrichtung umfasst dabei zumindest ein die gestapelten
Brennstoffzelleneinheiten und das Stapelabschlusselement umlaufendes streifen- oder bandförmiges Spannband. Ein derartiges Spannband weist ein nur geringes Gewicht und einen geringen Bauraumbedarf auf und ist darüber hinaus einfach und kostengünstig in der Herstellung sowie in der Montage. Besonders bevorzugt umfasst die
Spannvorrichtung mehrere Spannbänder, wodurch in vorteilhafter Art und Weise ein Verpressen des Brennstoffzellenstapels optimiert und eine Dichtwirkung zwischen Brennstoffzellenstapel und Gehäuse erhöht wird.
Das Spannband ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus Glasfaser oder Edelstahl gebildet. Werkstoffe aus Glasfaser und Edelstahl sind korrosionsbeständig und chemisch resistent, insbesondere Glasfaserwerkstoffe weisen zudem ein hohes Elastizitätsmodul auf.
Besonders bevorzugt bildet das Stapelabschlusselement des Brennstoffzellenstapels einen Deckel des Gehäuses, welches insbesondere als ein einseitig offenes Gehäuse ausgebildet ist. Damit ist ein Bauraum- und Bauteilbedarf des Brennstoffzellenstapels optimiert. Das Stapelabschlusselement erfüllt damit mehrere Funktionen, in dem es sowohl als stirnseitige Begrenzung der gestapelten Brennstoffzelleneinheiten als auch als Abdeckelement des Brennstoffzellenstapels dient. Alternativ oder zusätzlich ist das Gehäuse als ein zweiseitig offenes Gehäuse ausgebildet und der Brennstoffzellenstapel umfasst zwei Stapelabschlusselemente, wobei eines der Stapelabschlusselemente den Deckel und das andere der Stapelabschlusselemente den Boden des Brennstoffzellenstapels bildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines
Brennstoffzellenstapels mit einem Gehäuse, einem
Stapelabschlusselement und einer Spannvorrichtung mit einer angeformten Isolierung,
Fig. 2 schematisch eine perspektivische Ansicht des Ausschnitts gemäß Figur 1 ohne Spannvorrichtung,
Fig. 3 schematisch eine perspektivische Ansicht des Ausschnitts gemäß Figur 1 ohne Spannvorrichtung und ohne Isolierung,
Fig. 4 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Spannvorrichtung mit einer angeformten Isolierung und
Fig. 5 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels in einem montierten Zustand, und
Fig. 6 schematisch eine perspektivische Ansicht des Brennstoffzellenstapels gemäß Figur 5, wobei der Brennstoffzellenstapel mit einem Gehäuse versehen wird.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Figuren 1 bis 3 ist ein perspektivischer Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels 1 mit einer Mehrzahl gestapelter Brennstoffzelleneinheiten 2, zwei
Stapelabschlusselemente 3 und einer Spannvorrichtung 4 mit einer diese bereichsweise umgebenden Isolierung 5 gezeigt, wobei Figur 2 den Brennstoffzellenstapel 1 nur mit Isolierung 5 ohne Spannvorrichtung 4 und Figur 3 den Brennstoffzellenstapel 1 ohne Spannvorrichtung 4 und ohne Isolierung 5 zeigt. Figur 4 zeigt perspektivisch eine einzelne Spannvorrichtung 4, Figur 5 einen Brennstoffzellenstapel 1 in einem montierten Zustand und Figur 6 den Brennstoffzellenstapel 1 gemäß Figur 5, welcher mit einem Gehäuse 7 versehen wird, wobei die Montage des Gehäuses 7 mittels eines Pfeils dargestellt ist.
Der Brennstoffzellenstapel 1 besteht aus der Mehrzahl der gestapelten
Brennstoffzelleneinheiten 2, welche beispielsweise als Hochtemperatur- Brennstoffzelleneinheiten, z.B. Festoxidbrennstoffzellen, oder auch Niedertemperatur- Brennstoffzelleneinheiten, beispielsweise Polymerelektrolytbrennstoffzellen, ausgebildet sind, wobei Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEMFC) bevorzugt sind.
Die gestapelten Brennstoffzelleneinheiten 2 und die Stapelabschlusselemente 3 sind mittels der Spannvorrichtung 4 miteinander verspannt. Die Spannvorrichtung 4 weist dazu, wie in Figur 5 dargestellt, mehrere, insbesondere drei band- oder streifenförmige Spannelemente, im Folgenden als Spannbänder 4.1 bezeichnet, auf, welche die
Brennstoffzelleneinheiten 2 und die Stapelabschlusselemente 3 jeweils umlaufen und diese gegeneinander verspannen und welche in einer quer zur Stapelrichtung s verlaufenden Richtung voneinander beabstandet sind. Derartig ausgebildete
Spannbänder 4.1 weisen ein nur geringes Gewicht und einen geringen Bauraumbedarf auf und sind darüber hinaus einfach und kostengünstig in der Herstellung sowie in der Montage. Darüber hinaus ermöglicht eine solche Ausbildung und Anordnung der
Spannvorrichtung 4 eine optimale Krafteinleitung in den Brennstoffzellenstapel 1.
Wie in Figur 4 dargestellt, erstrecken sich die Spannbänder 4.1 um eines der
Stapelabschlusselemente 3, insbesondere die untere Endplatte 3.2, herum. Die Enden oder Endbereiche 4.1.1 der Spannbänder 4.1 sind schleifen- oder hakenförmig ausgebildet oder mit Einhängeschleifen oder Einhängehaken versehen. Die der unteren Endplatte 3.2 gegenüberliegende obere Endplatte 3.1 weist Verbindungselemente 3.1.1 auf, die korrespondierend zu den schleifen- oder hakenförmigen Endbereichen 4.1.1 der Spannbänder 4.1 ausgebildet sind, so dass diese miteinander eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung eingehen.
Die Verbindungselemente 3.1.1 sind in einer möglichen Ausführungsform separat ausgebildet und form-, stoff- und/oder kraftschlüssig mit dem Stapelabschlusselement 3 verbunden, insbesondere verschraubt. Alternativ können die Verbindungselemente 3.1.1 in das Stapelabschlusselement 3 integriert, z.B. angeformt, sein. Insbesondere können die Verbindungselemente 3.1.1 und das Stapelabschlusselement 3 ein integriertes Bauteil, z. B. ein Formbauteil, bilden. Beispielsweise sind die Verbindungselemente 3.1.1 als eine in eine Öffnung des Stapelabschlusselements 3 ragende Schleife oder ein in die Öffnung ragender Haken ausgeformt.
Durch Ausbildung der Endbereiche 4.1.1 der Spannbänder 4.1 als Haken oder Schleifen können die Spannbänder 4.1 auf einfache Art und Weise von dem korrespondierend ausgebildeten Verbindungselement 3.1.1 des Stapelabschlusselements 3 gelöst werden.
Mittels der Spannbänder 4.1 sind die Stapelabschlusselemente 3 und die
Brennstoffzelleneinheiten 2 im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels 1 gegeneinander verspannt, da die Spannbänder 4.1 Zugkräfte für die Verspannung des Brennstoffzellenstapels 1 über diesen an die gestapelten Brennstoffzelleneinheiten 2 und an die Stapelabschlusselemente 3 übertragen.
Die gestapelten Brennstoffzelleneinheiten 2 sind dabei vorzugsweise von dem in Figur 6 dargestellten Gehäuse 7 zumindest abschnittsweise umschlossen. Vorzugsweise sind alle in dem Brennstoffzellenstapel 1 gestapelten Brennstoffzelleinheiten 2 von dem Gehäuse 7 umschlossen (nicht dargestellt). Das Gehäuse 7 ist als beidseitig offenes Gehäuse 7 ausgebildet und schließt im montierten Zustand (die Montage des
Gehäuses 7 ist in Figur 6 mittels eines Pfeils dargestellt) mit seinen offenen Enden an jeweils ein Ende oder eine Oberflächenseite eines Stapelabschlusselements 3 an, wobei eines der Stapelabschlusselemente 3 eine obere Stirnseite des Brennstoffzellenstapels 1 in Form einer oberen Endplatte 3.1 begrenzt und das andere der
Stapelabschlusselemente 3 eine untere Stirnfläche des Brennstoffzellenstapels 1 in Form einer unteren Endplatte 3.2 begrenzt.
Besonders bevorzugt bildet die obere Endplatte 3.1 einen Deckel und die untere
Endplatte 3.2 einen Boden des Gehäuses 7. Alternativ kann das Gehäuse 7 auch als einseitig offenes Gehäuse 7 ausgebildet sein, wobei das offene Ende durch eines der Stapelabschlusselemente 3 begrenzt ist.
Vorzugsweise ist zumindest eines der Stapelabschlusselemente 3 einteilig im Kunststoff- Spritzgussverfahren als Metall-Kunststoff-Hybridbauteil hergestellt. Die Ausbildung des Stapelabschlusselements 3 als Metall-Kunststoff-Hybridbauteil ermöglicht die Kombination positiver Eigenschaften zweier verschiedener Werkstoffe. Mittels des Metallteils sind dabei Verspannkräfte großflächig in die
Brennstoffzelleneinheiten einleitbar und Anbindungspunkte zu Tragstrukturen, z.B.
Fahrzeugkarosserie, realisierbar. Zudem sind eine Form- und Temperaturstabilität des Metallteils sehr gut. Als Metallwerkstoff eignet sich dabei auch eine metallische
Legierung, wie z.B. Stahl.
Mittels eines an das Metallteil angeformten Versteifungsteils ist eine elektrische Isolation des Brennstoffzellenstapels 1 gegen die Umwelt realisierbar. Weiterhin ist mittels des Versteifungsteils eine Schnittstelle zu dem Gehäuse 7 des Brennstoffzellenstapels 1 , eine Ab- und Zuleitung gasförmiger oder flüssiger Medien aus beziehungsweise in den Brennstoffzellenstapel 1 sowie eine Isolation von Medien sowohl elektrisch als auch zum Schutz vor Korrosion realisierbar. Das Versteifungsteil optimiert damit das Metallteil. Als Kunststoff bzw. organisches Polymer eignet sich insbesondere ein Thermoplast.
Zwischen dem Gehäuse 7 und der oberen Endplatte 3.1 ist eine umlaufende Dichtung 6 angeordnet, insbesondere angespritzt. In einer möglichen, dargestellten Ausführungsform ist die umlaufende Dichtung 6 als eine Lippendichtung 6.1 ausgeführt. Alternativ kann sie als eine Ringdichtung ausgebildet sein.
Damit ist die obere Endplatte 3.1 in bevorzugter Art und Weise gegenüber dem
Gehäuse 7 abgedichtet. Besonders bevorzugt ist zwischen der unteren Endplatte 3.2 und dem Gehäuse 2 eine weitere Lippendichtung 6.1 angeordnet, so dass die untere
Endplatte 3.2 gegenüber dem Gehäuse 7 abgedichtet ist.
Die Lippendichtung 6.1 ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus Synthesekautschuk, wie z.B. Äthylen-Propylen-Dien-Monomer, Nitril- Butadien-Kautschuk, hydrierter Nitril-Kautschuk, Silikon-Kautschuk, Fluor-Kautschuk, Acrylat-Kautschuk, Perfluor-Kautschuk, Polychloroprenkautschuk, Chlorsulfonyl- Polyäthylen-Kautschuk, Polyester-Urethan-Kautschuk, Butyl-Kautschuk, oder Natur- Kautschuk oder Zellkautschuk, Schaumstoff, Polyvinylchlorid, thermoplastischen
Elastomer oder thermoplastischen Polyurethan gebildet. Diese elektrisch isolierenden Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe chemische Beständigkeit,
Temperaturbeständigkeit und gute Korrosionseigenschaften aus. Die Lippendichtung 6.1 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel Aussparungen 6.2 zur Aufnahme der Spannbänder 4.1 , welche von dem Gehäuse 7 im Bereich der
Brennstoffzelleneinheiten 2 umschlossen sind und im Bereich der Lippendichtung 6.1 außenliegend angeordnet sind.
Die Spannbänder 4.1 weisen dazu zumindest jeweils im Bereich der Aussparungen 6.2 der Lippendichtung 6.1 die angeformte Isolierung 5 auf. Bevorzugt erstreckt sich die Isolierung 5 über den Bereich der Spannbänder 4.1 , der an den
Brennstoffzelleneinheiten 2 anliegt, wie in den Figuren 4 und 5 dargestellt, so dass eine elektrische Isolierung benachbarter Brennstoffzelleneinheiten 2 verbessert ist.
Die Aussparungen 6.2 weisen vorzugsweise eine zur Form und/oder zu äußeren
Abmessungen der Isolierung 5 korrespondierende Form bzw. Abmessungen auf, so dass die Isolierung 5 form -und/oder kraftschlüssig in der Aussparung 6.2 angeordnet ist, wodurch besonders bevorzugt eine Vorspannung und damit eine Dichtwirkung zur Lippendichtung 6.1 und zum Gehäuse 7 hergestellt ist. Zur Verstärkung der Vorspannung weist die Isolierung 5 im Bereich der Aussparungen 6.2 eine Verdickung 5.1 auf, die in Figuren 1 , 2, 4, 5 und 6 gezeigt ist.
Die Isolierung 5 ist vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Lippendichtung 6.1 oder einem anderen der bereits genannten Werkstoffe für die Lippendichtung 6.1 gebildet. Die Isolierung 5 wird vorzugsweise mittels eines Spritzgussverfahrens auf das Spannband 4.1 aufgebracht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umschließt die Isolierung 5 das Spannband 4.1 in den vorgegebenen Bereichen vollständig.
Weiterhin sind jeweils für ein Spannband 4.1 zwei sich gegenüberliegende
Aussparungen 6.2 vorgesehen, da die Spannbänder 4.1 zumindest das Gehäuse 2 und die Lippendichtung 6.1 entlang einer in Stapelrichtung s verlaufenden Richtung umlaufend angeordnet sind. In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung weist eine zwischen dem Gehäuse 2 und dem anderen der Stapelabschlusselemente 3, beispielsweise die untere Endplatte 3.2, angeordnete Lippendichtung 6.1 entsprechende Aussparungen 6.2 zur Aufnahme der Spannbänder 4.1 auf.
Die Isolierung 5 und die Lippendichtung 6.1 wirken in vorteilhafter Art und Weise dichtend zusammen und verhindern somit ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Bereich zwischen Stapelabschlusselement 3 und Gehäuse 7. Die Kombination von Spannvorrichtung 4 zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels 1 und der Abdichtung ermöglicht weiterhin eine einfache und kostengünstige Herstellung eines Dichtsystems für den Brennstoffzellenstapel 1 , da keine Fügevorgänge notwendig sind, und zudem Bauraum eingespart ist.
Darüber hinaus kann das Dichtsystem unabhängig von einer Stapelhöhe des
Brennstoffzellenstapels 1 verwendet werden.
Bezugszeichenliste
Brennstoffzellenstapel
Brennstoffzelleneinheiten
Stapelabschlusselemente
obere Endplatte
Verbindungselemente
untere Endplatte
Spannvorrichtung
Spannbänder
Endbereiche
Isolierung
Verdickung
Dichtung
Lippendichtung
Aussparungen
Gehäuse
Stapelrichtung

Claims

10 Patentansprüche
1. Brennstoffzellenstapel (1 ), welcher aus einer Mehrzahl von gestapelten
Brennstoffzelleneinheiten (2) und zumindest einem Stapelabschlusselement (3) gebildet ist, wobei die gestapelten Brennstoffzelleneinheiten (2) und das
Stapelabschlusselement (3) mittels einer Spannvorrichtung (4) verspannbar sind, und wobei zumindest die verspannten Brennstoffzelleneinheiten (2) von einem Gehäuse (7) umschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (7) und dem mindestens einen Stapelabschlusselement (3) eine umlaufende Dichtung (6), insbesondere Lippendichtung (6.1), angeordnet ist, die Aussparungen (6.2) zur Aufnahme der Spannvorrichtung (4) aufweist, wobei die Spannvorrichtung (4) zumindest im Bereich der Aussparungen (6.2) elektrisch isoliert ist.
2. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass an die Spannvorrichtung (4) zumindest
abschnittsweise eine Isolierung (5) angeformt ist.
3. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (5) im Bereich der Aussparungen (6.2) derart ausgebildet ist, dass eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Isolierung (5) und der Dichtung (6) hergestellt ist.
4. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (5) bereichsweise, insbesondere im Bereich der Aussparungen (6.2), eine Verdickung (5.1) aufweist. 11
5. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (5) aus einem Kautschuk, einem Schaumstoff, Polyvinylchlorid, thermoplastischen Polyurethan und/oder einem thermoplastischen Polymer gebildet ist.
6. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (6) aus einem Kautschuk, einem Schaumstoff, Polyvinylchlorid, thermoplastischen Polyurethan und/oder einem thermoplastischen Polymer gebildet ist.
7. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (4) zumindest ein die gestapelten Brennstoffzelleneinheiten (2) und das Stapelabschlusselement (3) umlaufendes Spannband (4.1) umfasst.
8. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Spannband (4.1) aus Glasfaser oder Edelstahl gebildet ist.
9. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Stapelabschlusselement (3) einen Deckel des Gehäuses (7) bildet.
10. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch zwei Stapelabschlusselemente (3), wobei das eine der Stapelabschlusselemente (3) den Deckel des Gehäuses (7) und das andere der Stapelabschlusselemente (3) den Boden des Gehäuses (7) bildet.
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